LED照明控制系統(tǒng)模型及層次分析

本文將介紹LED照明控制系統(tǒng)的兩種主要模型，說明電子信息技術(shù)在LED照明中的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上，將LED照明控制系統(tǒng)分成八個(gè)層次，逐層闡述，幫助工程師全面了解LED照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1、LED照明控制系統(tǒng)模型

與傳統(tǒng)的照明方式相比，LED照明有許多獨(dú)特的地方，主要表現(xiàn)在：從結(jié)構(gòu)上看，傳統(tǒng)照明的光源和燈具是分離的，而LED照明在結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)配光、散熱及燈具的一體化設(shè)計(jì)；從功能上看，只有少部分的傳統(tǒng)照明可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光，而LED照明不僅能實(shí)現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)，還能實(shí)現(xiàn)色彩與色溫的調(diào)節(jié)。此外，LED照明比傳統(tǒng)照明方式更適合智能化與數(shù)字化的控制，組成復(fù)雜的照明系統(tǒng)。

基于LED照明的這些特性，大體可以給出了三種模型，分別針對LED的通用照明、LED照明的智能控制、LED照明與太陽能風(fēng)能的結(jié)合設(shè)計(jì)，說明電子信息技術(shù)在LED照明中一些應(yīng)用。

1.1 模型一：電源+光源
現(xiàn)代電光源的工作本質(zhì)就是將電能轉(zhuǎn)化為光能，同時(shí)伴隨一定的散熱。所以，LED的通用照明模型中就只包括電源和光源兩部分。在這種模型下，只能實(shí)現(xiàn)照明的開關(guān)控制，不能實(shí)現(xiàn)照明的調(diào)光、通信、反饋等功能。

電源具體是指AC-DC恒流型開關(guān)電源。AC-DC是指交流到直流的轉(zhuǎn)換，因?yàn)長ED實(shí)際上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管，它是在直流電壓下工作的。LED還有一個(gè)特性就是其工作電流近似值是工作電壓的指數(shù)函數(shù)，電壓的微小波動就會引起電流的巨大變化，嚴(yán)重時(shí)會直接燒毀LED,所以要保證LED的安全工作，必須使其工作電流恒定。通常家用電器的電源都是恒壓的，LED的特性決定了它要采用恒流電源。為了提高LED工作的可靠性，我們一般要采用隔離型的開關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)LED與市電電網(wǎng)的有效隔離。和開關(guān)電源相對應(yīng)的，還有一類叫線性電源，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了，因?yàn)殚_關(guān)電源在效率和體積上更占優(yōu)勢?，F(xiàn)在的開關(guān)電源技術(shù)，能將轉(zhuǎn)換效率做到85%甚至更高，功率因數(shù)0.95以上，總諧波在15%以內(nèi)。這些指標(biāo)也是我們選擇開關(guān)電源的基本要求。

光源就是LED芯片，這是LED照明的核心元件。除了工作電流、管壓降等電學(xué)參數(shù)外，我們更關(guān)心的是它的光學(xué)指標(biāo)，如光通量、光效、色溫、顯色指數(shù)、光衰等等。LED的光學(xué)性能與其溫度密切相關(guān)，溫度的升高會引起光效降低、色溫漂移、壽命下降等問題，因此散熱技術(shù)在LED照明中尤為重要。熱力學(xué)知識告訴我們，物體的散熱只有三種方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。由于LED芯片只是固定的發(fā)出某種波長的可見光，所以不存在紅外輻射散熱。在LED中，主要是傳導(dǎo)散熱，同時(shí)伴隨一定的對流散熱。減少LED的熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)和降低每個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻，必要時(shí)采用強(qiáng)制風(fēng)冷，都是散熱設(shè)計(jì)中的考慮因素。

1.2 模型二：電源+控制+光源
模型二比模型一多了一個(gè)控制模塊，這就大大豐富了LED照明的功能。如果說模型一只是一個(gè)照明產(chǎn)品，那么模型二可以說是一個(gè)照明系統(tǒng)了。由于加入了控制模塊，電源就變成恒壓型開關(guān)電源了，但是LED光源的工作還是需要恒流型電源，這部分（恒流驅(qū)動）我們放在控制模塊中一起實(shí)現(xiàn)了。下面，我們重點(diǎn)分析一下LED照明的控制系統(tǒng)。

2 LED照明控制系統(tǒng)的八大層次分析

LED照明的控制系統(tǒng)，可大可小，功能豐富。如：無線遙控調(diào)光系統(tǒng)、色溫可調(diào)照明系統(tǒng)、RGB調(diào)光調(diào)色系統(tǒng)、模擬日光照明系統(tǒng)、帶DALI協(xié)議的智能照明系統(tǒng)、基于ZigBee和GPRS的無線路燈控制系統(tǒng)等。透過現(xiàn)象看本質(zhì)，所有這些照明控制系統(tǒng)，都是利用電子技術(shù)領(lǐng)域中的嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電力電子技術(shù)等發(fā)展建立起來的?？此萍姺睆?fù)雜化，其實(shí)有據(jù)可循。

為了理清脈絡(luò)，我們可以將LED照明控制系統(tǒng)分為8個(gè)層次，逐層闡述。如果我們能夠把每個(gè)層次的技術(shù)方案做好，那么任何復(fù)雜的控制系統(tǒng)我們都可以像“搭積木”一樣，輕松的實(shí)現(xiàn)。

LED照明控制系統(tǒng)的8個(gè)層次由底向上依次為：供電層、驅(qū)動層、光層、感器層、議層、信層、作層、統(tǒng)實(shí)現(xiàn)層。

2.1 供電層
供電層為整個(gè)控制系統(tǒng)提供高效穩(wěn)定的直流電源。與LED光源工作需要的恒流電源不同，控制系統(tǒng)的工作需要的是恒壓電源。供電層的電源獲得有兩個(gè)途徑：一是從LED照明燈具上的恒壓電源上獲取，這是一個(gè)DC-DC（直流到直流）轉(zhuǎn)換，因?yàn)闊艟呱系暮銐弘娫吹碾妷和ǔ：芨?，而控制系統(tǒng)的電壓很低，所以要做一個(gè)從直流到直流的降壓轉(zhuǎn)換；二是從交流市電獲取，這是一個(gè)AC-DC（交流到直流）轉(zhuǎn)換，為了安全，通常也要做成隔離型的開關(guān)電源，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的功耗通常很低，所以這里的恒壓電源對轉(zhuǎn)換效率的要求就不是很高。

2.2 驅(qū)動層
前面提到，模型二中電源部分是恒壓源，而LED光源的工作需要恒流源，因此，在控制系統(tǒng)中要有一個(gè)恒流驅(qū)動模塊，為LED光源的正常工作提供恒流源。在恒流驅(qū)動的設(shè)計(jì)上，一般是采用專用的驅(qū)動芯片，并配合一定的外圍電路。

驅(qū)動芯片的輸出端通常是帶有一串LED,輸出的恒定電流就是LED的工作電流。輸出的電壓范圍越高，可帶的LED數(shù)量就越多。也有例外的情況，輸出端要并聯(lián)多串LED,這時(shí)，我們要給每串LED串聯(lián)一個(gè)小電阻來實(shí)現(xiàn)電流的分流。驅(qū)動芯片一般還有一個(gè)PWM（脈沖寬度調(diào)制）的端口，用于實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，這是實(shí)現(xiàn)智能照明的基礎(chǔ)。恒流驅(qū)動方案的優(yōu)劣，直接關(guān)系到LED照明的可靠性和使用壽命。因此，對LED驅(qū)動技術(shù)的研究，尤為重要。

2.3 調(diào)光層
LED照明之所以容易實(shí)現(xiàn)智能控制，是因?yàn)樗菀讓?shí)現(xiàn)調(diào)光控制。所有智能化功能的體現(xiàn)，都是通過調(diào)光功能實(shí)現(xiàn)的。對于LED照明調(diào)光的理解，不能只限于調(diào)節(jié)光的亮度，還包括對LED色溫和色彩的調(diào)節(jié)。這也正是LED照明能夠顛覆傳統(tǒng)照明的一個(gè)主要因素。調(diào)光技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，有模擬和數(shù)字兩種。其中，數(shù)字調(diào)光主要是通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，它是現(xiàn)在LED調(diào)光方案的主要手段。PWM信號可以通過對微控制器的編程實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生不同的占空比，從而實(shí)現(xiàn)LED照明的調(diào)光。設(shè)計(jì)一款LED“三調(diào)”（亮度、色溫、色彩）功能的集成方案，是這個(gè)層次的研究重心。

2.4傳感器層
前面講到的驅(qū)動層和調(diào)光層，是從系統(tǒng)輸出的角度分析的。顯然，傳感器層就是智能系統(tǒng)的輸入了。它就像智能系統(tǒng)的眼睛和耳朵，能夠感受外部環(huán)境的變化，并把這些變化轉(zhuǎn)化成電學(xué)信號，傳遞給智能系統(tǒng)的大腦--中央處理器，進(jìn)行分析和處理。在照明控制領(lǐng)域，我們關(guān)心的傳感器主要有：光敏傳感器，采集自然光的亮度信息；人體傳感器，檢測燈具附近是否有人的存在；溫度傳感器，采集外部環(huán)境的溫度信息；還有對系統(tǒng)工作時(shí)的電流電壓等數(shù)據(jù)的采集和分析。

2.5 協(xié)議層
沒有規(guī)矩不成方圓。要實(shí)現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的內(nèi)部各個(gè)模塊間的有序協(xié)調(diào)工作，必須有一套完善的“規(guī)章制度”,用來傳達(dá)指令和執(zhí)行操作。這套制度就是智能系統(tǒng)的協(xié)議。在目前的照明行業(yè)中，有兩套比較成熟的協(xié)議，一是照明通信中的DALI（DigitalAddressablELightingInterface數(shù)字可尋址照明接口）協(xié)議，另一是實(shí)現(xiàn)RGB色彩控制的DMX512協(xié)議。遺憾的是，這兩套協(xié)議都不是為LED照明量身定做的。對于LED照明控制相關(guān)協(xié)議的研究，現(xiàn)在也是一個(gè)熱點(diǎn)，國際上還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這對我們來說，也許是個(gè)機(jī)遇！

2.6 通信層
在電子信息領(lǐng)域，協(xié)議的傳輸，是以通信技術(shù)為載體來實(shí)現(xiàn)的。LED照明中通信，主要有三種方式：總線方式、電力線載波方式和無線射頻方式。總線方式，以其技術(shù)成熟，可靠性高，組網(wǎng)簡單，成本適中等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最多的通信手段，如RS485總線。電力線載波方式，是通過交流電網(wǎng)來傳遞協(xié)議，免去了重復(fù)布線的成本，應(yīng)該說是一種優(yōu)秀的通信手段。但是，它對電網(wǎng)的質(zhì)量要求很高，鑒于目前我國電網(wǎng)的諧波污染很嚴(yán)重，這種方式是否適合我國國情，還有待考證。無線射頻方式，現(xiàn)在最熱門的技術(shù)是ZigBee.它是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2.7 操作層
這個(gè)層次實(shí)現(xiàn)了用戶和系統(tǒng)的信息交互。對于人機(jī)交互軟件的設(shè)計(jì)，操作簡單，界面友好，便于維護(hù)和升級，應(yīng)該是首要考慮的因素。按照應(yīng)用的場合不同，交互軟件可分為兩大類：一類運(yùn)行于嵌入式系統(tǒng)；另一類運(yùn)行于PC機(jī)。

2.8 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)層
在這個(gè)層次，我們是對控制系統(tǒng)做全局的分析和設(shè)計(jì)，利用前面7個(gè)層次的研究成果，完成整個(gè)系統(tǒng)的搭建。也就是說，這個(gè)層次的設(shè)計(jì)是以前面7個(gè)層次為基礎(chǔ)的，是對前7個(gè)層次研究成果的綜合。